5)µ4& &OWVFEFMPCUFOUJPOEV %0$503"5%&-6/*7&34*5²%&506-064& %ÏMJWSÏQBS Institut Supérieur de l’Aéronautique et de l’Espace Cotutelle internationale avec École de technologie supérieure (ÉTS), Montréal, Québec 1SÏTFOUÏFFUTPVUFOVFQBS Maherizo ANDRIANARISON le mardi 2 octobre 2018 5JUSF New Methods and Architectures for High Sensitivity Hybrid GNSS Receivers in Challenging Environments Nouvelles méthodes et architectures pour les récepteurs GNSS de haute sensibilité hybrides pour les environnements contraints ²DPMF EPDUPSBMF et discipline ou spécialité ED MITT : Réseaux, télécom, système et architecture 6OJUÏEFSFDIFSDIF Équipe d'accueil ISAE-ONERA SCANR %JSFDUFVS T EFʾÒTF M. René Jr. LANDRY (directeur de thèse) M. Mohamed SAHMOUDI (co-directeur de thèse) Jury : M. Luc PELLECUER Professeur École de technologie supérieure - Président M. René Jr. LANDRY Professeur École de technologie supérieure - Directeur de thèse M. Mohamed SAHMOUDI Professeur Associé ISAE-SUPAERO - Co-directeur de thèse M. Gérard LACHAPELLE Professeur Emérite University of Calgary - Rapporteur M. Serge REBOUL Professeur Université du Littoral Côte d’Opale - Rapporteur M. Christian GARGOUR Professeur École de technologie supérieure Mme Stéphanie BIDON Professeur ISAE-SUPAERO This Creative Commons licence allows readers to download this work and share it with others as long as the author is credited. The content of this work can’t be modified in any way or used commercially. BOARD OF EXAMINERS THIS THESIS HAS BEEN EVALUATED BY THE FOLLOWING BOARD OF EXAMINERS Mr. René Jr. Landry, Thesis Supervisor Department of Electrical Engineering, École de technologie supérieure Mr. Mohamed Sahmoudi, Thesis Co-supervisor Department of Electronic, Optotronic and Signal, Institut Supérieur de l’Aéronautique et de l’Espace Mr. Luc Pellecuer, President of the Board of Examiners Department of Construction engineering, École de technologie supérieure Mr. Christian Gargour, Member of the jury Department of Electrical Engineering, École de technologie supérieure Mrs. Stéphanie Bidon, Member of the jury Department of Electronics, Optotronics and Signal, Institut Supérieur de l’Aéronautique et de l’Espace Mr. Gérard Lachapelle, External Evaluator Department of Geomatics Engineering, University of Calgary Mr. Serge Reboul, External Evaluator Laboratoire d'Informatique Signal et Image de la Côte d'Opale, Université du Littoral Côte d’Opale THIS THESIS WAS PRESENTED AND DEFENDED IN THE PRESENCE OF A BOARD OF EXAMINERS AND PUBLIC OCTOBER 2, 2018 AT ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE FOREWORD This PhD thesis, entitled “New methods and architectures for high sensitivity hybrid GNSS receivers in challenging environments” is performed under joint supervision between École de Technologie Supérieure (ÉTS) Montreal Canada and Institut Supérieur de l’Aéronautique et de l’Espace (ISAE-SUPAERO) Toulouse France. ÉTS is part of the University of Quebec and ISAE is part of the University of Toulouse. This thesis is part of a common project “COPNAV” (Cooperative Navigation) between two laboratories: LASSENA (Laboratory of Space Technologies, Embedded Systems, Navigation and Avionic) at ETS and SCAN group (Signal, Communication, Antennas and Navigation) at ISAE-SUPAERO. It is funded by the NSERC (Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada) research program “Cognitive multi-antenna GNSS/INS Receiver Architectures and Methods for Indoor-Denied Navigation” (iMACGR). VIII ACKNOWLEDGMENT « Rendez grâce en toute chose… » I Tes 5 :18 C’est avec nostalgie que j’écris ces derniers mots, consacrés à mes remerciements… J’ai vécu une longue aventure humaine pendant mes quelques années de thèse à Montréal et à Toulouse... J’adresse mes premiers remerciements et ma reconnaissance au Professeur René Jr. Landry de m’avoir donné l’opportunité de travailler au sein du laboratoire LASSENA et de m’avoir offert un excellent environnement de travail. L’aventure a commencé suite à nos échanges de courriels depuis que j’étais encore à Madagascar à la fin de mon DEA à l’ESPA puis après avoir passé mon Master à l’ENSEEIHT - INPT à Toulouse France. Je le remercie pour le temps qu’il m’a accordé et ses précieux conseils malgré les fonctions diverses auxquelles il est rattaché. Je le remercie également de m’avoir donné la liberté d’explorer mes idées même si le sujet était différent de ce qu’on avait discuté au début. Je suis arrivé au bout de cette thèse avec beaucoup de fierté grâce à ses conseils et surtout son exigence. Je suis particulièrement reconnaissant à mon co-directeur de thèse, Dr Mohamed Sahmoudi, pour son temps, ses conseils, ses suggestions et ses critiques qui m’ont permis d’avancer dans mes travaux de recherche malgré les difficultés rencontrées. Je me souviens toujours du moment où il m’a parlé de la nouvelle approche de « Détection Collective » qui est une nouvelle méthode appliquée en GNSS. Il m’a accueilli au sein du laboratoire du Département DEOS de l’ISAE-SUPAERO pendant quelques mois à deux reprises. Ce fut un réel plaisir de travailler avec lui. Il a été pour moi plus qu’un encadreur. Ma thèse a été grandement enrichie grâce à ses expertises techniques, ses connaissances et son exigence. Je tiens à témoigner toute ma gratitude au jury de cette thèse et en particulier aux professeurs Gérard Lachapelle et Serge Reboul, qui ont aimablement accepté de passer en revue mon travail. Leurs commentaires et remarques ont permis d’améliorer la qualité de la thèse. Je remercie spécialement le professeur Luc Pellecuer qui me fait l’honneur de présider mon jury. IX Je voudrais également exprimer mes vifs remerciements aux professeurs Christian Gargour et Stéphanie Bidon qui ont accepté d’examiner ma thèse. Après des années au laboratoire LASSENA, je ne peux pas oublier les étudiants et post-doc que j’ai côtoyés. Pendant mes séjours au laboratoire du groupe SCAN à l’ISAE-SUPAERO, j’ai pu avoir des amis, doctorants et étudiants en Master, que je n’oublierai pas. J’ai une pensée spéciale à Dave et Adrien qui ont « galéré » avec moi durant des années au LASSENA. Ils ont été plus que des collègues pour moi. Nous nous sommes remontés la morale à chaque fois qu’on pense que c’est encore long ! Avec Dave, nous discutons souvent de GNSS, de l’A-GNSS et de Van Diggelen. Je me souviens aussi du moment où Adrien et moi étions finalistes pour le concours de poster sur la vulgarisation des projets de recherche. Sur le chemin de la thèse, j’ai eu également la chance de rencontrer Jérôme qui a été pour moi plus qu’un collègue, il a révisé cette thèse et aussi révisé tous mes papiers. Je le remercie particulièrement pour tout ce qu’il a fait pour moi. Il a été très strict et soucieux des détails. Toutes nos discussions intéressantes sur le GNSS et l’acquisition resteront à jamais dans mes souvenirs. Ses différentes questions pertinentes sur la « Détection Collective » m’ont aidé à bien comprendre, percer plus loin et exploiter encore et encore cette nouvelle approche. Je témoigne toute ma reconnaissance à mes parents pour leurs sacrifices durant ces longues années d’études, et aussi à mes frères et sœurs pour avoir été et pour être toujours présents pour moi. Je remercie particulièrement mon père qui m’a donné le goût des études et offert un soutien sans faille. Je termine ici en dédiant cette thèse à l’amour de ma vie, Felaniaina Andrianarison. Je la remercie sincèrement pour tout le sacrifice qu’elle a fait. J’aimerais la remercier pour son amour inconditionnel, son soutien et sa compréhension pendant ces deux dernières années qui n’étaient pas du tout faciles. Après des hauts et des bas pendant ma thèse, j’espère qu’elle est maintenant fière de moi ainsi que notre petit garçon qui s’en vient. X NOUVELLES MÉTHODES ET ARCHITECTURES POUR LES RÉCEPTEURS GNSS DE HAUTE SENSIBILITÉ HYBRIDES POUR LES ENVIRONNEMENTS CONTRAINTS Maherizo ANDRIANARISON RÉSUMÉ Les systèmes de navigation par satellites GNSS ne cessent d’évoluer et ils sont déjà utilisés dans de nombreuses applications. Avec la venue des nouveaux systèmes Galileo et BeiDou ainsi que la modernisation des systèmes GPS et GLONASS, de nouveaux satellites ainsi que de nombreuses nouvelles fréquences et de nouveaux signaux feront leur apparition dans les prochaines années et qui vont encore ouvrir la porte à d’innombrables nouvelles applications jusqu’à maintenant impossibles. L’évolution rapide de la téléphonie mobile nécessite une meilleure exploitation des systèmes de navigation dans les environnements non idéaux et surtout le besoin de positionnement en environnement urbain. D'une part, l'utilisateur attend une précision de positionnement élevée, en raison de la proximité de différents points d'intérêt. D'autre part, l'environnement urbain génère des difficultés dans la réception des signaux GNSS. Jusqu'à maintenant, les signaux de navigation GPS ne peuvent pas être bien captés dans les environnements urbains profonds ou « intérieurs ». Les niveaux des signaux y sont très faibles et il est presque impossible d’acquérir et de poursuivre les signaux de façon autonome à cause de l'importance des obstacles qui impliquent une forte atténuation des signaux. De plus, le positionnement à l’intérieur et dans les environnements urbains sont aussi soumis aux problèmes de multi-trajets, de masquage, d’interférences et de brouillages. Dans ces conditions, il faut pouvoir traiter des signaux très dégradés ou très courts qui ne permettent pas au récepteur d’effectuer le processus de poursuite. Ainsi, cela nous conduit à la nécessité de repenser l'architecture du récepteur GNSS pour les applications modernes. Ce projet de thèse consiste à développer de nouvelles méthodes et architectures de récepteur GNSS de haute sensibilité et robuste aux dégradations des signaux tout en concevant de nouveaux algorithmes intégrés dans un récepteur GNSS hybride capable de fonctionner dans les environnements urbains profonds ou « intérieurs ». La méthodologie prévoit l’utilisation de la nouvelle approche de « détection collective (Collective Detection) » ou « acquisition collaborative ».